TWI460990B - 電流鏡裝置和方法 - Google Patents

Description

電流鏡裝置和方法

本發明大體而言係關於電流鏡裝置及使用電流鏡裝置之方法。

電子裝置技術之發展已產生在作業期間消耗較少功率之較小裝置。降低之功率消耗經常係較小裝置特徵及以較低供應電壓運作之裝置之一結果。然而，當供應電壓降低時，裝置作業經常對供應電壓之波動變得更敏感。另外，某些裝置包含多個電壓域以適應以不同供應電壓運作之電路。然而，一藉由一第一電壓域之電路產生之第二電壓域之一供應電壓可對該第一電壓域之供應電壓之波動敏感。

習用電流鏡電路要求可能不為某些低電壓應用所接受之電壓供應淨空。另外，一傳統電流鏡電路之輸出電流相依於供應電壓。另外，一具有一快速電壓擺動之輸出可引入一習用電流鏡電路之電晶體之輸出、閘與源之間的耦合。因此，習用電路鏡電路驅動低電壓、高頻率載入可能不實際。

在一特定實施例中，揭示一種包含一包含一第一組電晶體及一第二組電晶體之電流鏡之電路。該第一組電晶體中之電晶體中之至少一者及該第二組電晶體中之電晶體中之至少一者係呈一疊接放大器佈置。該電路包含一耦合至該第一組電晶體之第一運算放大器。該電路亦包含一耦合至該第二組電晶體之第二運算放大器。

在另一實施例中，該電路包含一包含一第一電晶體對及一第二電晶體對之電流鏡。該第一電晶體對包含一第一電晶體及一第二電晶體。該第二電晶體對包含疊接電晶體。該電路亦包含一具有一耦合至該第一電晶體及該第二電晶體兩者之輸出之第一運算放大器。

在另一實施例中，該電路包含一包含一第一組電晶體及一第二組電晶體之電流鏡。該第二組電晶體中之至少一個電晶體係設置成一疊接佈置。該電路包含一耦合至該第一組電晶體之第一運算放大器。該電路亦包含一耦合至該第二組電晶體之第二運算放大器。該電路包含一耦合至該第二組電晶體之電晶體中之一者之電流源。該第一運算放大器具有一第一偏壓之一第一輸入且該第二運算放大器具有一第二偏壓之一第一輸入。該第一組電晶體耦合至一供應電壓。該第一偏壓不同於該供應電壓。該第二組電晶體之電晶體中之一第一者耦合至到該第一運算放大器之一第二輸入以界定一第一回饋迴路。將該第一組電晶體中之電晶體中之一者之一輸出提供至該第二運算放大器作為一第二輸入以界定一第二回饋迴路。該第二組電晶體之電晶體中之一第二者具有一驅動一輸出電流之輸出。

在另一實施例中，揭示一種使用一電路裝置之方法。該方法包含在耦合至一第一組電晶體之一第一運算放大器之一第一輸入處接收一第一偏壓。該方法包含在耦合至一第二組電晶體之一第二運算放大器之一第一輸入處接收一第二偏壓。該第一組電晶體及該第二組電晶體形成一電流鏡。該電流鏡耦合至一供應電壓，且該第一偏壓不同於該供應電壓。該第二組電晶體中之電晶體中之一第一者耦合至該第一運算放大器之一第二輸入以界定一第一回饋迴路。將該第一組電晶體中之電晶體中之一者之輸出提供至該第二運算放大器作為一第二輸入以界定一第二回饋迴路。該第二組電晶體之電晶體中之一第二者具有一驅動該電流鏡之一輸出電流之輸出。

由該電流鏡之實施例提供之一個特定優點係強健作業，此乃因輸出電流對電壓供應之變化不敏感。另一優點係可向一電壓域供應一保持在一參考電壓電平之輸出電壓電平，該參考電壓電平與電流鏡電路之供應電壓無關。另一優點係可藉由一低供應電壓下之作業實現低功率作業。所揭示之電流鏡電路裝置可以較低之供應電壓、較佳之輸出阻抗及對快速輸出電壓擺動之增加之不敏感性來驅動一高頻率振盪器。

在審閱整個申請案之後，本發明之其他態樣、優點及特徵將變得明瞭，該申請案包含以下部分：圖式簡單說明、實施方式及申請專利範圍。

參照圖1，其圖解說明一電路裝置100。電路裝置100包含一第一運算放大器102及一第二運算放大器110。電路裝置100亦包含一電流鏡，該電流鏡包含一第一組電晶體(諸如一包含一第一電晶體122及一第二電晶體132之第一對電晶體)及一第二組電晶體(諸如一包含一第三電晶體124及一第四電晶體134之第二對電晶體)。該第二組電晶體中之電晶體中之至少一者係呈一疊接佈置。舉例而言，電晶體124或電晶體134或其兩者可呈一疊接佈置。第一運算放大器102耦合至第一電晶體122，並耦合至第二電晶體132。第一運算放大器102具有一第一偏壓(Vbias1)之一第一輸入104，並具有一回應於提供自一耦合至第三電晶體124之節點125之回饋信號之一第二輸入106。

第二運算放大器110具有一回應於一耦合至第一電晶體122之節點123之第一輸入114及一回應於一第二偏壓(Vbias2)之第二輸入112。在一特定實施例中，提供於輸入122處之第二偏壓係大致固定，且與一經由電流路徑120及130提供至電流鏡之供應電壓118之變化無關。在一特定實例中，可將該第二偏壓設定為各種可用電壓，諸如供應電壓118減去一單個電晶體之汲極到源極飽和電壓。

第一電流路徑120中之電晶體122及124經耦合，以自一耦合至節點125並耦合至接地128之電流源126，接收一輸入。第二電流路徑130中之電晶體132及134經耦合，以於一輸出節點135處提供一輸出電壓及一輸出電流136。輸出電流136係由第四電晶體134之一輸出提供。電流鏡之輸出電壓受第二偏壓限制。

在一特定實施例中，第一電晶體對(122及132)耦合至供應電壓118，且供應電壓118不同於第一偏壓104及第二偏壓112。因此，藉由使用偏壓104及112，將供應電壓118之變化與電路100之其他部分隔離。

在作業期間，經由節點125將第三電晶體124之一輸出提供至第一運算放大器102作為一輸入，以界定一第一回饋迴路。另外，經由節點123將第一電晶體122之一輸出作為一輸入提供至第二運算放大器110，以界定一第二回饋迴路。該等回饋迴路使得運算放大器102及110能夠維持與供應電壓118無關之恆定偏壓。

在一特定實施例中，如所圖解說明，界定電流鏡之第一及第二組電晶體中之電晶體122、124、132、134中之每一者係場效類型之電晶體。一合適場效類型之電晶體之一實例係一金屬氧化物場效電晶體(MOSFET)。

在圖2中所圖解說明之另一實施例中，電流鏡中之四個電晶體中之每一者係雙極電晶體類型之裝置。舉例而言，第一電晶體222、第二電晶體224、第三電晶體232及第四電晶體234各自係雙極類型之裝置，如所圖解說明。圖2中所圖解說明之電路裝置200之剩餘部分係大致類似於相對於圖1中顯示之元件。

參照圖3，其顯示一使用一電路裝置(諸如圖1及圖2中所圖解說明之電路裝置)之方法。使用該電路裝置之方法包含在一耦合至一第一組電晶體之第一運算放大器之一第一輸入處接收一第一偏壓(在302處)。該第一運算放大器之一實例係圖1中之第一運算放大器102或圖2中之第一運算放大器202。該第一偏壓之一實例係在圖1中於輸入104處或在圖2中於輸入204處提供之第一偏壓(Vbias1)。該方法包含在耦合至一第二組電晶體之一第二運算放大器之一第一輸入處接收一第二偏壓，如在304處所示。提供至一第二運算放大器之一第二偏壓之一實例係在圖1中提供至第二運算放大器110之第二偏壓(Vbias2)112或在圖2中提供至第二運算放大器210之第二偏壓212。

該方法進一步包含自一電流源向第二組電晶體中之電晶體中之至少一者提供電流。一適當電流源之一實例係圖1中所示之電流源126或圖2中所示之電流源226。第二組電晶體可包含一第二電晶體對，諸如圖1中所示之電晶體124及134或圖2中所示之電晶體224及234。

該方法進一步包含基於在第一運算放大器之一第二輸入處接收之一第一回饋信號來調整第一運算放大器之一第一輸出，如在308處所示。將第二組電晶體之電晶體中之一第一者耦合至第一運算放大器之第二輸入，以界定一第一回饋迴路。舉例而言，可基於在第二輸入106處接收之由耦合至節點125之第一回饋迴路所提供之一回饋信號來調整第一運算放大器102之第一輸出，如圖1中所示。

該方法進一步包含基於在第二運算放大器之一第二輸入處接收之一第二回饋信號來調整第二運算放大器之一第二輸出(在310處)。將第一組電晶體中之電晶體中之一者之一輸出提供至第二運算放大器作為第二輸入，以界定一第二回饋迴路。舉例而言，可回應於經由第二回饋迴路在114處接收之一輸入(其回應於電晶體122經由節點123耦合而提供)來調整第二運算放大器110之第二輸出116，如圖1中所示。

該方法進一步包含將來自第一運算放大器之第一輸出提供至第一組電晶體，並將第二運算放大器之第二輸出提供至一電流鏡(其反射來自電流源之電流)之第二組電晶體，以提供一所得輸出電流，如在312處所示。舉例而言，可將來自第一運算放大器102之第一輸出108提供至包含電晶體122、132、124、134之電流鏡，使得經由一第一電流路徑120提供之電流被反射，且然後經由第二電流路徑130之一電晶體之一輸出提供一大致相等之電流，其驅動一與輸入電流126大致匹配之輸出電流136，如圖1中所示。該方法進一步包含將電流鏡之輸出電流提供至一高速類比電路，如在314處所示。可將輸出電流136或輸出電流236提供至一高速類比電路，諸如一振盪器或其他類似類型之類比電路。另外，可將與輸出電流136相關聯之輸出電壓提供至一不同電壓域，其中該不同電壓域具有一受提供至第二運算放大器110之第二偏壓112限制之電壓供應。以此方式，可將單獨或隔離之電壓供應提供至一積體電路裝置內之不同電壓域。

在一特定實施例中，第二偏壓係一固定且大致穩定之電壓，其可由一參考電壓電路提供。在一特定實施例中，供應電壓(諸如圖1中之供應電壓118或圖2中之供應電壓218)大約等於第一組電晶體中之電晶體中之一者之汲極到源極電壓(Vds)(諸如圖1中之電晶體122或132之汲極到源極電壓)之四倍。在一特定實施例中，供應電壓係小於一個伏特且在汲極到源極電壓大約係0.2伏特之情形下可大約等於0.8伏特。

參照圖4，其圖解說明包含一疊接電流鏡電路(諸如圖1及圖2中所示之電路裝置)之一系統400之一特定說明性實施例。系統400包含一供應電壓源410，經由供應線408將該供應電壓源提供至包含兩個或更多個運算放大器402之疊接電流鏡電路。在一特定實施例中，具有運算放大器402之電流鏡係一諸如參照圖1或圖2所圖解說明之彼等電路之電路。疊接電流鏡裝置402係回應於一電流源412且在一輸入414處接收電流。另外，疊接電流鏡裝置402自一參考電壓電路406接收一參考電壓404。在一特定實施例中，參考電壓電路406可係一帶隙類型之參考電壓電路以提供一大致穩定且固定之電壓。在一特定實施例中，參考電壓電路406將一第一偏壓及一第二偏壓提供至疊接電流鏡裝置402之兩個運算放大器作為輸入。疊接電流鏡裝置402將一輸出電流416及一輸出電壓提供至一代表性高速類比電路裝置418。在一特定實施例中，高速類比電路裝置418係一振盪器或類似高頻率電路。

在所揭示之電路及系統之情形下，一經改良之電流鏡可展示較高效之輸出阻抗、較低供應電壓及對快速輸出電壓擺動之增加之不敏感性。兩個運算放大器迴路係用於調節一電流鏡裝置之一疊接佈置中之頂部及底部電晶體對以改良一所得輸出阻抗並降低供應電壓要求。另外，儘管已在圖1及圖2中顯示一第一及第二電流路徑，但應瞭解可添加額外的並聯電流路徑以提供電流鏡之多個電流輸出。另外，可使用額外疊接電晶體來實施輸入電流源。在此情形下，電流鏡之路徑中之每一者所要求之最小電壓僅係一單個電晶體之汲極到源極飽和電壓之四倍，其大約等於0.8伏特。

另外，所揭示之電路裝置可有利地提供一可迅速適應高速類比電路(諸如振盪器及類似應用)之電流鏡。在所揭示之電路裝置之情形下，電流鏡之電流比與供應電壓大致無關。因此，該所揭示電路具有輸出電流對供應至電流鏡電路之供應電壓之降低敏感性。如此，具有多個運算放大器之所揭示電流鏡電路提供低電壓下之高速類比電路裝置作業之改良。

本文中所闡述之實施例之圖解說明意欲提供對各種實施例之結構之一大體理解。該等圖解說明並非意欲用作對使用本文中所闡述之該等結構或方法之設備及系統之所有元件及特徵之一完全說明。在審閱本發明後，熟習此項技術者可明瞭諸多其他實施例。可使用其他實施例及自本發明導出該等其他實施例，使得可在不背離本發明之範疇之情形下做出結構及邏輯替代及改變。另外，該等圖解說明僅係代表性且可不按比例繪製。可將該等圖解說明內之某些比例放大，而可將其他比例縮小。雖然已在本文中圖解說明並闡述若干具體實施例，但應瞭解可用所示之該等具體實施例代替任一經設計以用來達成相同或類似目的之後續佈置。本發明意欲涵蓋各種實施例之任一及所有後續改變或變化。在審閱該說明後，熟習此項技術者將明瞭上述實施例之組合及本文中未具體闡述之其他實施例。因此，應將本發明及圖式視為說明性而非限定性。

提交本發明之摘要係基於以下理解：其並非將用於解釋或限制本申請專利範圍之範疇或涵義。另外，在前述實施方式中，出於簡化本發明之目的，可將各種特徵集合在一起或在單個實施例中予以闡述。此發明不應被視為反映以下意圖：所主張之實施例要求比每一請求項中所明確陳述之特徵更多之特徵。而是，如以下申請專利範圍反映，本發明標的物可涉及少於所揭示實施例中之任一者之所有特徵。因此，將以下申請專利範圍併入到實施方式中，其中每一請求項作為單獨界定所主張之標的物而獨立存在。

應將上文所揭示之標的物視為說明性而非限定性，且隨附申請專利範圍意欲涵蓋歸屬於本發明之真實精神及範疇內之所有修改、增進及其他實施例。因此，在法律准許之最大範圍內，本發明之範疇將由以下申請專利範圍及其等效物之所容許的最廣泛解釋來確定，且不應由前述詳細闡述限定或限制。

100．．．電路裝置

102．．．第一運算放大器

104．．．輸入

106．．．輸入

108．．．輸出

110．．．第二運算放大器

112．．．輸入

114．．．輸入

116．．．輸出

120．．．電流路徑

122．．．第一電晶體

123．．．節點

124．．．第三電晶體

125．．．節點

126．．．電流源

128．．．接地

130．．．電流路徑

132．．．第二電晶體

134．．．第四電晶體

135．．．輸出節點

200．．．電路裝置

202．．．第一運算放大器

204．．．輸入

210．．．第二運算放大器

222．．．第一電晶體

224．．．第二電晶體

226．．．電流源

232．．．第三電晶體

234．．．第四電晶體

400．．．系統

402．．．運算放大器

406．．．參考電壓電路

408．．．供應線

410．．．供應電壓源

412．．．電流源

414．．．輸入

418．．．高速類比電路裝置

圖1係一電流鏡裝置之一第一實施例之一電路圖；

圖2係一電流鏡裝置之一第二實施例之一電路圖；

圖3係使用一電流裝置之方法之一實施例之一流程圖；及

圖4係一包含一電流鏡電路之系統之一方塊圖。

100．．．電路裝置

102．．．第一運算放大器

104．．．輸入

106．．．輸入

108．．．輸出

110．．．第二運算放大器

112．．．輸入

114．．．輸入

116．．．輸出

120．．．電流路徑

122．．．第一電晶體

123．．．節點

124．．．第三電晶體

125．．．節點

126．．．電流源

128．．．接地

130．．．電流路徑

132．．．第二電晶體

134．．．第四電晶體

135．．．輸出節點

Claims (22)

1. 一種電流鏡電路，其包括：一電流鏡，其包含一第一組電晶體及一第二組電晶體，該第一組電晶體中之電晶體中之至少一者及該第二組電晶體中之電晶體中之至少一者係呈一疊接佈置(cascode arrangement)；一第一運算放大器，其係耦合至該第一組電晶體且包括由一參考電壓電路所決定之一第一偏壓之一輸入；一第二運算放大器，其係耦合至該第二組電晶體且包括由該參考電壓電路所決定之一第二偏壓之一輸入，該參考電壓電路將該第二偏壓設定至一電壓範圍內之複數個可選擇電壓電平中之一者；其中該第一組電晶體之一第一電晶體具有一耦合至一電壓供應之輸入及一耦合至該第二組電晶體之一第一電晶體之一輸入之輸出，其中該第二組電晶體中之該第一電晶體之一輸出係被提供至該第一運算放大器作為一輸入以界定一第一回饋迴路，其中該第一組電晶體之一第二電晶體具有一耦合至該電壓供應之輸入以及一耦合至該第二組電晶體之一第二電晶體之一輸入之輸出，以及其中該第二組電晶體之該第二電晶體具有一輸出，其驅動一輸出電流至一不同電壓域，其中該不同電壓域具有由該第二偏壓所限制之一電壓供應；以及一電流源，其耦合至該第二組電晶體之該第一電晶體； 其中該電流源為一主動裝置；以及其中該第二組電晶體之每一電晶體係被該第二運算放大器所控制。
2. 如請求項1之電流鏡電路，其中該第一組電晶體之該第一電晶體及該第一組電晶體之該第二電晶體包括一第一電晶體對且該第二組電晶體之該第一電晶體及該第二組電晶體之該第二電晶體包括一第二電晶體對。
3. 如請求項1之電流鏡電路，其中該電流鏡之一輸出電壓受該第二偏壓之限制。
4. 如請求項1之電流鏡電路，其中該第一組電晶體中之該第一電晶體之該輸出被提供至該第二運算放大器作為一輸入，以界定一第二回饋迴路。
5. 如請求項1之電流鏡電路，其中該第一組電晶體之該第一電晶體、該第一組電晶體之該第二電晶體、該第二組電晶體之該第一電晶體及該第二組電晶體之該第二電晶體各自係場效類型之電晶體裝置。
6. 如請求項1之電流鏡電路，其中該第二偏壓係由該參考電壓電路所設定至一可用電壓範圍內之複數個可選擇電壓電平中之一者。
7. 如請求項1之電流鏡電路，其中該電流源包括若干疊接電晶體。
8. 一種電流鏡電路，其包括：一電流鏡，其包含一第一電晶體對及一第二電晶體對，該第一電晶體對包含一第一電晶體及一第二電晶 體，該第二電晶體對包含若干疊接電晶體，其中該電流鏡係經組態以將一輸出電流提供至一高速類比電路；一第一運算放大器，其具有一第一偏壓之一輸入及一耦合至該第一電晶體及該第二電晶體兩者之輸出；及一第二運算放大器，其耦合至該第二電晶體對中之每一電晶體且包括由一參考電壓電路所決定之一第二偏壓之一輸入，該參考電壓電路將該第二偏壓設定至一電壓範圍內之複數個可選擇電壓電平中之一者；其中該第一電晶體對之該第一電晶體具有一耦合至一電壓供應之輸入及一耦合至該第二電晶體對之一第一電晶體之一輸入之輸出，其中該第一電晶體對之該第二電晶體具有一耦合至該電壓供應之輸入及一耦合至該第二電晶體對之一第二電晶體之一輸入之輸出，及其中該第二電晶體對之該第二電晶體具有一輸出，其驅動經提供至一不同電壓域之輸出電流，其中該不同電壓域具有被該第二偏壓所限制之一電壓供應；及一電流源，其耦合至該第二電晶體對之該第一電晶體；其中該電流源為一主動裝置；以及其中該第二電晶體對之每一電晶體係被該第二運算放大器所控制。
9. 如請求項8之電流鏡電路，其中至該電流源之一輸入係經耦合至該第一運算放大器之一輸入，以及其中經提供至該高速類比電路之該輸出電流實質上匹配一由該電流 源所提供之電流。
10. 如請求項8之電流鏡電路，其中該第一偏壓及該第二偏壓係為不同。
11. 如請求項8之電流鏡電路，其中該第一電晶體對包括至少一場效類型之電晶體裝置。
12. 一種電流鏡電路，其包括：一電流鏡，其包含一第一組電晶體及一第二組電晶體，該第二組電晶體中之至少一個電晶體係設置於一疊接佈置中；一第一運算放大器，其係耦合至該第一組電晶體；一第二運算放大器，其係耦合至該第二組電晶體；一電流源，其係耦合至該第二組電晶體之一第一電晶體；其中該電流源係一主動裝置；其中該第一運算放大器具有一第一偏壓之一第一輸入，且該第二運算放大器具有一由一參考電壓電路所決定之第二偏壓之一第一輸入，該參考電壓電路將該第二偏壓設定至一可用電壓範圍內之複數個可選擇電壓電平中之一者；其中該第一組電晶體之一第一電晶體具有一耦合至一供應電壓之輸入及一耦合至該第二組電晶體之一第一電晶體之一輸入之輸出，其中該第一組電晶體之一第二電晶體具有一耦合至該供應電壓之輸入及一耦合至該第二組電晶體之一第二電晶體之一輸入之輸出，其中該第一 偏壓不同於該供應電壓；其中該第二組電晶體之該第一電晶體係經耦合至到該第一運算放大器之一第二輸入，以界定一第一回饋迴路；其中該第一組電晶體中之該第一電晶體之一輸出被提供至該第二運算放大器作為一第二輸入，以界定一第二回饋迴路；其中該第二組電晶體之該第二電晶體具有一輸出，其驅動一經提供至一高速類比電路且經提供至一不同電壓域之輸出電流，其中該不同電壓域具有一由該第二偏壓所限制之電壓供應；及其中該第二組電晶體之每一電晶體係被該第二運算放大器所控制。
13. 如請求項12之電流鏡電路，其中該第一組電晶體之該第一電晶體、該第一組電晶體之該第二電晶體、該第二組電晶體之該第一電晶體及該第二組電晶體之該第二電晶體各自係場效類型之電晶體裝置。
14. 如請求項12之電流鏡電路，其中該輸出電流對該供應電壓之改變實質上不敏感。
15. 如請求項12之電流鏡電路，其中第一偏壓及該第二偏壓係不同的。
16. 一種使用一電路裝置之方法，該方法包括：在一耦合至一第一組電晶體之第一運算放大器之一第一輸入處接收一第一偏壓； 在一耦合至一第二組電晶體之第二運算放大器之一第一輸入處接收一第二偏壓，該第一組電晶體及該第二組電晶體形成一電流鏡，該電流鏡係耦合至一供應電壓，其中該第一偏壓及該第二偏壓係由一參考電壓電路所決定；其中該第一偏壓不同於該供應電壓；其中該第一組電晶體之一第一電晶體具有一耦合至一供應電壓之輸入及一耦合至該第二組電晶體之一第一電晶體之一輸入之輸出，其中該第一組電晶體之一第二電晶體具有一耦合至該供應電壓之輸入及一耦合至該第二組電晶體之一第二電晶體之一輸入之輸出；其中將該第二組電晶體之該第一電晶體係耦合至一電流源及該第一運算放大器之一第二輸入，以界定一第一回饋迴路；其中該電流源係一主動裝置；其中將該第一組電晶體中之該第一電晶體之一輸出提供至該第二運算放大器作為一第二輸入，以界定一第二回饋迴路；且其中該第二組電晶體之該第二電晶體具有一驅動經提供至一高速類比電路及經提供至一不同電壓域之該電流鏡之一輸出電流之輸出，其中該不同電壓域具有一由該第二偏壓所限制之電壓供應；及其功該第二組電晶體之每一電晶體係由該第二運算放大器所控制。
17. 如請求項16之方法，其中該輸出電流係與該供應電壓之改變實質上無關。
18. 如請求項16之方法，進一步包括自一電流源將電流提供至該第二組電晶體中之該第一電晶體。
19. 如請求項16之方法，其中該第二偏壓係實質上由該參考電壓電路所固定。
20. 如請求項16之方法，其中該供應電壓大約等於該第一組電晶體中之該等電晶體中之一者之一汲極至源極電壓的四倍。
21. 如請求項20之方法，其中該供應電壓係小於一伏特。
22. 如請求項16之方法，其中該高速類比電路係一振盪器。